Понятие «скорость химической реакции»

Ско­рость хи­ми­че­ской ре­ак­ции ха­рак­те­ри­зу­ет, на­сколь­ко пре­вра­ще­ние ве­ществ про­те­ка­ет быст­ро или мед­лен­но. Изу­че­ни­ем ско­ро­стей хи­ми­че­ских ре­ак­ций за­ни­ма­ет­ся хи­ми­че­ская ки­не­ти­ка. Одна из важ­ней­ших ее задач – управ­ле­ние ско­ро­стью ре­ак­ции.

Для го­мо­ген­ной ре­ак­ции, про­те­ка­ю­щей в по­сто­ян­ном объ­е­ме, ско­рость ре­ак­ции равна из­ме­не­нию кон­цен­тра­ции лю­бо­го из участ­ву­ю­щих в ре­ак­ции ве­ществ в еди­ни­цу вре­ме­ни:

Если кон­цен­тра­ция умень­ша­ет­ся (С₂ < С₁), то перед дро­бью ста­вят знак «минус», т. к. ско­рость не может иметь от­ри­ца­тель­ное зна­че­ние.

 Факторы, влияющие на скорость реакции

1. При­ро­да ре­а­ги­ру­ю­щих ве­ществ

На­при­мер, ме­тал­лы (на­трий и калий) с одним и тем же ве­ще­ством – водой – ре­а­ги­ру­ют с раз­лич­ны­ми ско­ро­стя­ми. Калий очень энер­гич­но ре­а­ги­ру­ет с водой, вы­де­ля­ю­щий­ся во­до­род за­го­ра­ет­ся на воз­ду­хе (рис. 2). На­трий ре­а­ги­ру­ет с водой более спо­кой­но (рис. 1).

Рис. 1. Вза­и­мо­дей­ствие на­трия с водой

Рис. 2. Вза­и­мо­дей­ствие калия с водой

2. Кон­цен­тра­ция ис­ход­ных ве­ществ

Чем боль­ше кон­цен­тра­ция ве­ществ, тем боль­ше ве­ро­ят­ность столк­но­ве­ния ре­а­ги­ру­ю­щих ве­ществ, по­это­му – тем боль­ше ско­рость ре­ак­ции.

3. Тем­пе­ра­ту­ра

Мно­гие хи­ми­че­ские про­цес­сы уско­ря­ют­ся с ро­стом тем­пе­ра­ту­ры. На­при­мер, мясо при ком­нат­ной тем­пе­ра­ту­ре ис­пор­тит­ся го­раз­до ско­рее, чем в хо­ло­диль­ни­ке; в стра­нах с влаж­ным тро­пи­че­ским кли­ма­том ма­ши­ны ржа­ве­ют быст­рее, чем в се­вер­ных ши­ро­тах.

На­при­мер, если к рас­тво­ру сер­ной кис­ло­ты до­ба­вить немно­го чер­но­го по­рош­ка ок­си­да меди (II), ни­ка­ких из­ме­не­ний на­блю­дать­ся не будет. При на­гре­ва­нии же смеси рас­твор ста­нет го­лу­бым.

4. Дав­ле­ние

Дав­ле­ние ока­зы­ва­ет вли­я­ние на ско­рость ре­ак­ции тогда, когда ре­ак­ция про­те­ка­ет с уча­сти­ем га­зо­об­раз­ных ве­ществ. С по­вы­ше­ни­ем дав­ле­ния ско­рость ре­ак­ции воз­рас­та­ет. Это свя­за­но с тем, что с по­вы­ше­ни­ем дав­ле­ния рас­сто­я­ние между мо­ле­ку­ла­ми умень­ша­ет­ся, по­это­му по­вы­ша­ет­ся ве­ро­ят­ность столк­но­ве­ний мо­ле­кул, при­во­дя­щих к пре­вра­ще­нию ве­ще­ства.

5. Пло­щадь по­верх­но­сти со­при­кос­но­ве­ния ис­ход­ных ве­ществ

Чем боль­ше сте­пень из­мель­че­ния твер­до­го ве­ще­ства, тем боль­ше пло­щадь со­при­кос­но­ве­ния ве­ще­ства с рас­тво­ром. Это, в свою оче­редь, ока­зы­ва­ет вли­я­ние на ско­рость ре­ак­ции. Чем боль­ше пло­щадь по­верх­но­сти со­при­кос­но­ве­ния ре­а­ги­ру­ю­щих ве­ществ, тем боль­ше ско­рость ре­ак­ции.

6. При­сут­ствие ка­та­ли­за­то­ра

Ско­рость хи­ми­че­ских ре­ак­ций может за­ви­сеть от при­сут­ствия неко­то­рых ве­ществ.

Ве­ще­ства, ко­то­рые уско­ря­ют хи­ми­че­скую ре­ак­цию, но сами в ней не рас­хо­ду­ют­ся, на­зы­ва­ют ка­та­ли­за­то­ра­ми.

Если пе­ре­ме­шать по­ро­шок алю­ми­ния с по­рош­ком йода, то при­зна­ков ре­ак­ции на­блю­дать­ся не будет. Ре­ак­ция не идет. Но стоит до­ба­вить ка­та­ли­за­тор – ка­пель­ку воды – как на­чи­на­ет­ся бур­ная ре­ак­ция. Вода, в дан­ном слу­чае, участ­ву­ет в ре­ак­ции, уско­ряя пре­вра­ще­ние ве­ществ, но сама в ней не рас­хо­ду­ет­ся.

Рис. 3. Вза­и­мо­дей­ствие алю­ми­ния с йодом в при­сут­ствии воды

Сле­ду­ет пом­нить, что один ка­та­ли­за­тор может уско­рять одну ре­ак­цию, но не уско­рять дру­гую. Также су­ще­ству­ют ре­ак­ции, ко­то­рые про­те­ка­ют быст­ро без ка­та­ли­за­то­ра. Такие ре­ак­ции на­зы­ва­ют нека­та­ли­ти­че­ски­ми. На­при­мер, это ре­ак­ции ион­но­го об­ме­на в рас­тво­рах.

 Химическое равновесие

Неко­то­рые ре­ак­ции при опре­де­лен­ных усло­ви­ях могут про­те­кать как в пря­мом, так и в об­рат­ном на­прав­ле­нии. На­при­мер, уг­ле­кис­лый газ при вза­и­мо­дей­ствии с водой об­ра­зу­ет уголь­ную кис­ло­ту, ко­то­рая, в свою оче­редь, раз­ла­га­ет­ся на уг­ле­кис­лый газ и воду.

СО₂ + Н₂О ↔ Н₂СО₃

Такие ре­ак­ции за­пи­сы­ва­ют со зна­ком об­ра­ти­мо­сти и на­зы­ва­ют об­ра­ти­мы­ми.

Если в об­ра­ти­мой ре­ак­ции ско­ро­сти пря­мой и об­рат­ной ре­ак­ции равны, то такое со­сто­я­ние на­зы­ва­ют хи­ми­че­ским рав­но­ве­си­ем.